«Исследование магнитного поля» с помощью оборудования цифровой лаборатории «VERNIER»

МКОУ ДСОШ№3
Тема Урока: «Исследование магнитного поля»
с помощью оборудования цифровой лаборатории «VERNIER»
Цель:исследовать магнитного поля, используя оборудование цифровой лаборатории. В экспериментальной части выяснить, от чего зависит индукция магнитного поля, провести измерение индукции магнитного поля различных образцов горных пород, используя, цифровое оборудование, исследовать магнитное поле.
Введение
О существовании магнитных полей люди знали уже много веков тому назад, а практическое использование магнитных явлений на благо человека началось с создания компаса за 2-3 тысячи лет до н. э. В настоящее время, нас окружает множество «магнитов». В наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в банках с гвоздями и т. д. Сами мы - тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, гигантский голубой магнит. Магнитное поле оказывает влияние на все. Актуальность темы очевидна.
Кабинет физики оснащен цифровой лабораторией, в которой имеется датчик для измерения индукции магнитного поля.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
-изучить источники информации по данному вопросу;
-выявить источники магнитного поля и экспериментально измерить магнитную индукцию различных источников магнитного поля.
-экспериментально исследовать зависимость магнитного поля электромагнита от числа витков обмотки.
-выяснить влияние магнитного поля на растения.
-выяснить существует ли магнитное поле человека.
Предметом исследования является магнитное поле; объектом - силовая характеристика магнитного поля.
В ходе выполнения работы использовались следующие методы исследовательской работы: эксперимент, анализ, сравнение и обобщение полученной информации.
При проведении измерений индукции магнитного поля использовали следующее оборудование: УИОД; ПО LabQuest; датчик магнитного поля; датчик температуры; постоянный полосовой магнит; элемент питания (ВСШ -6); большой железный гвоздь; провод монтажный (медный) длиной 0,8 м; изоляционная лента (или скотч); весы; образцы горных пород; опытные образцы семян.
Практическая значимость проведенного исследования состоит в том, что материал можно использовать на уроках физики, факультативах, внеклассных мероприятиях.
1.  Магнитное поле. Источники магнитного поля
Появление жизни, ее эволюция во многом обязаны магнитному полю. Из учебников физики мы выяснили, что магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется связь и взаимодействие между движущимися электрическими зарядами. Везде, где существует движущийся электрический заряд или ток, возникает магнитное поле. Постоянным называется магнитное поле, в котором значение вектора магнитной индукции в каждой точке не изменяется со временем. Постоянное магнитное поле существует вокруг неподвижного магнита или неподвижного проводника с постоянным током.
Вектор В магнитной индукции служит силовой характеристикой магнитного поля. В СИ за единицу магнитной индукции принимается Тесла - магнитная индукция такого однородного поля, в котором на проводник с током в 1 А, помещенный перпендикулярно к линиям индукции, действует сила в 1 Н на каждый метр длины.
[В]=[H/(А∙м)]=[кг/(с2∙А)]=[Тл].
Ознакомившись с учебной литературой, для себя сделали несколько открытий: во - первых, магнитное поле можно обнаружить вокруг постоянных магнитов; во - вторых вокруг проводников с током. Решили экспериментально обнаружить магнитное поле.
2. Экспериментальная часть.
В экспериментальной части мы проводим исследования магнитного поля различных источников и выясняем влияние магнитного поля на рост и развитие растений. Основным прибором для измерения индукции магнитного поля служит устройство измерения и обработки данных (УИОД) и датчик измерении индукции магнитного поля.
2.1. Исследование поля постоянного магнита
Цель: исследовать магнитное поле постоянного магнита
Задачи:
Измерить индукцию магнитного поля в различных точках около стержневого магнита;
Измерить индукцию магнитного поля и построить график зависимости индукции от расстояния на оси полосового магнита;
Исследовать индукцию магнитных полей различного типа на том же расстоянии от датчика.
Оборудование:
-постоянные магниты различной формы;
-датчик магнитного поля;
-линейка.
Описание эксперимента.
Для решения первой задачи, взяли полосовой магнит и провели измерения индукции магнитного поля датчиком. Знак минус перед значением индукции магнитного поля указывает на северный полюс.
Результаты:
Индукция магнитного поля (мТл) вблизи северного полюса Индукция магнитного поля (мТл) вблизи южного
полюса Индукция магнитного поля (мТл) в центральной части магнита
1 магнит -0,679 +0,817 0,06
2 магнит -0,314 +0,384 0,02
3 магнит -0,319 +0,326 0,03
Вывод: Наибольшие положительные значения индукции магнитного поля получены при сборе показаний счетчика около южных полюсов. Наибольшие отрицательные значения индукции магнитного поля получены при сборе показаний счетчика около северных полюсов. Нулевое значение индукции магнитного поля соответствует центру полосового магнита.
При решении второй задачи, провели измерения индукции магнитного поля по мере увеличения расстояния от полюсов магнита.
Описание выполнение работы: на столе укрепили линейку, полосовой магнит расположили у нулевого деления. Изменяя расстояние (равномерно перемещали магнит вдоль линейки), проводили замеры индукции магнитного поля.
Результаты измерения индукция магнитного поля с 1 магнитом (среднее значение при трех измерениях) при удалении от магнита представлены в таблице 1.
Таблица 1
S, м 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
В, мТл 0,429 0,334 0,307 0,294 0,292 0,288 0,286 0,284 0,264 0,262
По результатам построили график зависимости индукции магнитного поля от расстояния.

Результаты измерения индукции магнитного поля с другим магнитом при равномерном увеличении расстояния, получены автоматически и представлены на рис.1. Подробно результаты в приложении 1.
Рисунок 1. График зависимости индукции магнитного поля от времени.

Вывод: значение магнитной индукции с расстоянием убывает
Для решения третьей задачи, мы выбрали постоянные магниты дугообразной и круговой формы.
С помощью цифрового оборудования, мы провели измерение индукции магнитного поля для дугообразного и кругового магнита. Результаты представлены на рисунках 2 и 3. Как и следовало ожидать, наибольшие значения индукции магнитного поля были получены у полюсов магнитов.
Рисунок 2. График индукции магнитного поля для дугообразного магнита.

Рисунок 3. График индукции магнитного поля кольцевого магнита.

2.2. Измерение индукции магнитного поля вокруг проводника с током
Задачи: обнаружить и измерить индукцию магнитного поля вокруг проводника с током.
Для решения задачи, мы собрали цепь, состоящую из источника тока, реостата, ключа. Используя датчик магнитного поля, измерили индукцию вокруг проводника, включенного в цепь источника тока, и убедились, что вокруг проводника с током существует магнитное поле.
В отсутствии электрического тока в цепи, значение индукции магнитного поля равно 0,0132 мТл- рисунок 4.
Рисунок 4. Индукция магнитного поля в кабинете физики.

При замыкании цепи значение магнитной индукции вокруг проводника с током меняется – рисунок 5.
Рисунок 5. Индукция магнитного поля вокруг проводника с током.

Вывод: График показывает, что магнитная индукция вокруг проводника изменяется, следовательно, магнитное поле существует.
2.3. Измерение вектора магнитной индукции различных источников
Дома и в кабинете физики мы провели измерения индукции магнитного поля различных электротехнических устройств.
Результаты измерений представлены в таблице 2
Таблица 2
№ п/п Источники электромагнитного поля В, мТл (средние значения)
1 Системный блок компьютера 0,070
2 Монитор компьютера 0,029
3 Дисковод 0,342
3 Сотовый телефон 0,118
4 Микроволновая печь 0,182
5 Утюг 0,198
6 Интерактивная доска 0,030
7 Источник питания в кабинете физики 0,338
Индукция магнитного поля в кабинете физики на момент проведение измерений равна 0,004 мТл (рис. 6)
Рисунок 6

Индукция магнитного поля возле системного блока компьютера 0,07 мТл (рис. 7)
Рисунок 7

Для двух сотовых телефонов, мы провели измерения индукции магнитного поля до приема сигнала и во время приема сигнала (Рисунок 8). Как можно видеть из графика, во время приема индукция магнитного поля изменяется сильнее. Следовательно, изменяющееся магнитное поле влияет на человека. По утверждениям медиков, длительное использование телефонов ведет к различным заболеваниям.
Рисунок 8. Индукция магнитного поля сотовых телефонов.

Вывод: Магнитное поле существует и создается вокруг любых электрических приборов. Результаты исследования электротехнических устройств показали, что все значения магнитной индукции соответствуют нормам СанПина. Но, как рекомендуют ученые, не следует включать одновременно несколько бытовых приборов и необходимо следить за исправностью электрической проводки, чтобы избежать сильного воздействия электромагнитного поля на человека.
2.4. Измерение индукции магнитного поля различных образцов горных пород
Задача: измерить индукцию магнитного поля вокруг образцов горных пород.
Из источников учебной литературы мы выяснили, что постоянные магниты изготавливают обычно из железа,  стали,  чугуна  и  других  сплавов  железа (сильные магниты), а  также  из  никеля,  кобальта  (слабые  магниты). Магниты  бывают  естественные  (природные)  из  железной  руды (магнитного железняка)  и  искусственные,  полученные  намагничиванием  железа при  внесении  его в  магнитное  поле.
В ходе эксперимента мы измерили индукцию магнитного поля различных образцов (рис.9-15):
бурый железняк – В = 0,004047 мТл (рис.9)
Рисунок 9

железный шпат – В= 0,007118 мТл (рис.10)
Рисунок 10

красный железняк –В=0,004924мТл (рис.11)
Рисунок 11

магнетит – В=0,05431мТл (рис.12)
Рисунок 12

магнитный железняк – В= 0,2702 мТл (рис. 13)
Рисунок 13

нефелин – В=0,006183 мТл (рис.14)
Рисунок 14

Сталь малоуглеродистая (железо) – В=0,05761 мТл (рис.15)
Рисунок 15

Вывод: измерив индукцию магнитного поля различных образцов горных пород, результаты показали, что наибольшими магнитными свойствами обладают: магнитный железняк – В= 0,2702 мТл ; сталь малоуглеродистая (железо) – В=0,05761 мТл; магнетит – В=0,05431мТл ; у остальных образцов магнитные свойства выражены слабо.
2.5. Изучение влияния магнитного поля на рост и развитие растений
Ботаники, как выяснили из разных источников информации, установили восприимчивость растений к магнитным полям.Оказывается, сильное магнитное поле влияет на рост растений.
Мы решили экспериментально проверить этот факт. Для этого провели эксперимент.
Гипотеза: магнитное поле не влияет на рост и развитие растений.
Оборудование:УИОД; ПО LabQuestApp; датчик магнитного поля; датчики температуры; датчик РН; люксметр - прибор для освещенности;
две чашки с 10 семенами овса.
Описание эксперимента:
Посадили в две чашки семена овса по 10 штук. Одну чашу поставили у передней дверцы микроволновой печи, другую на окно. Во время проведения эксперимента, мы постоянно следили, чтобы образцы находились в одинаковых условиях, регулярно (3 раза в день) проводили замеры температуры воздуха, температуры среды, кислотность воды, освещенность была одинакова, так как микроволновая печь установлена на подоконнике. Микроволновой печью, в течение дня, наша семья пользовалась в среднем 45-50 минут, поэтому в таблице указано среднее значение индукции магнитного поля за день.
Результаты измерений представлены в таблице 3.
Таблица 3
День эксперимента 1 образец
(у микроволновой печи0 2 образец
(на подоконнике)
Температура
Воздуха (средняя за 0С Температура
Субстрата,0С РН Вектор магнитной индукции, мТл Температура
Воздуха,
0С Температура
Субстрата, 0С РН Вектор магнитной индукции, мТл
1 24 22 7 0,15 24 22 7 0,030
2 23 21 7 0,17 22 20 77 0,028
3 24 20 7 0,22 23 20 7 0,032
4 22 21 7 0,19 22 19 7 0,0187
5 23 21 7 0,201 23 21 7 0,031
6 24 20 7 0,09 24 22 7 0,032
7 24 20 7 0,14 23 21 7 0,025
Итого: (ср значение) 23,4 20,7 7 0,17 23 20,7 7 0,028
При прочих равных условиях, через три дня, первыми взошли в количестве 10 штук семена, которые были расположены у микроволновой печи; на окне взошло только 7 семян. В течение недели мы наблюдали изменения роста семян. Более прогрессивный рост наблюдался у семян 9 из 10, которые находились у микроволновой печи, на окне 8 из 10 семян, разница длины стеблей составила 4,0-4,5 см. Фотографии развития семян представлены в таблице 4:
Рост и развитие растений на окне: 1.  Рост и развитие растений у микроволновой печи:
Через 3 дня
Через 3 дня

Через 2 недели
Через 2 недели

Вывод: Электромагнитное поле оказывает влияние на рост семян. Более прогрессивный рост наблюдался у семян, которые находились у микроволновой печи. Нас заинтересовали данные результаты и на будущее мы планируем наблюдать за ростом и развитием культурных растений. В качестве образцов, планируем выбрать огурцы.
2.6. Измерение индукции магнитного поля человека
Изучая информацию о влиянии магнитного поля на различные факты, мы узнали, что в середине прошлого века известный японский учёный К. Накагава открыл новую болезнь, которая, особенно в современное время, встречается довольно часто. Он назвал её синдромом дефицита магнитного поля человека.
Нашу Землю всегда окружало магнитное поле, которое необходимо для жизни всего живого на Земле так же, как солнце, воздух, вода и пища. В процессе эволюции природа использовала магнитное поле Земли для обеспечения механизмов жизнедеятельности клеток, в частности, обмена веществ.
В теле человека имеется своё магнитное поле, возникающее вследствие протекания крови по сосудам. В здоровом организме и в нормальных условиях имеется полное соответствие и взаимодействие внешнего и внутреннего магнитных полей. Нас заинтересовал этот вопрос и мы провели замеры В - магнитной индукции у себя. Результаты замеров представлены в таблице 5 и на рисунках 16-19.
Таблица 5
Участник В, мТл (в положении стоя) В, мТл (в положении лежа)
0,02480 0,05721
0,01867 0,05547
Риунок 16. Индукция магнитного поля (в положении стоя)

Рисунок 17.Индукция магнитного поля (в положении стоя)

Рисунок 18. Индукция магнитного поля (в положении лежа)

Рисунок 19. Индукция Магнитного поля (в положении лежа)

Даже слабое действие магнитного поля может оказывать негативное воздействие на человека. За последние 50-100 лет жизнь человека кардинально изменилась вследствие бурного развития цивилизации. Появились многоэтажные высотки, которые отдалили человека от Земли. На Земле появилось огромное количество металлических машин, конструкций, сооружений, которые притягивают магнитное поле к себе, лишая его людей и животных. Также искажают магнитное поле многочисленные линии электропередач, телерадиокоммуникации, сотовая связь. Конструкции современных зданий таковы, что они экранируют магнитное поле Земли от человека, лишая его естественного.
Из этого следует, что самые идеальные условия для жизни человека, это – в деревне, на берегу моря, на природе, так как там влияние «искусственно» созданных электромагнитных полей минимально.
Вывод: полученные нами результаты измерений показывают наличие вокруг человека магнитного поля.
2.7 Сборка электромагнита и испытание его действия
Цель эксперимента: изготовить простейший электромагнит и экспериментально исследовать зависимость магнитного поля электромагнита от числа витков обмотки.
Выполнение работы: собрали простейший электромагнит – железный гвоздь, обмотанный проводом, концы которого подсоединяются к источнику питания, и экспериментально исследовали влияние числа витков электромагнита на его силу (магнитное поле электромагнита).
Измерение магнитного поля, создаваемого электромагнитом, производили с помощью датчика магнитного поля.
left0Результаты измерений в таблице 6.
Таблица 6
Число витков 10 20 30 40 50
В, мТл 0,27 0,4 0,6 1,1 16
Вывод: Из результатов эксперимента следует, что магнитное поле усиливается с увеличением числа витков.
Дополнительно мы выяснили, массу скрепок поднимает изготовленный нами электромагнит при разных количествах витках. Из таблицы 7 видно, что масса груза увеличивается с количеством витков.
Таблица 7
Число витков 10 20 30 40 50
Масса, г 1,5 4,5 6,2 7,5 11,3
Вывод: результатом эксперимента, можно считать созданный и «исследованный» нами простейший электромагнит. Мы экспериментально доказали, что число витков увеличивает магнитное поле, а следовательно будет и увеличиваться масса груза, которую поднимает магнит.
В настоящее время, как мы выяснили из различных источников информации, проблема создания сильных, сверхсильных и ещё более сильных магнитных полей стала одной из основных в современной физике и технике. Термоядерный синтез, магнитодинамическое генерирование электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах, подъём затонувших судов - всё это области, где требуются грандиозные, невиданные раньше по размерам магниты.
Результаты и выводы
Магнитное поле существует и индукцию магнитного поля можно измерить, имея специальное оборудование.
При выполнении своей работы мы изучили различные источники информации, из которых, узнали много нового о магнитном поле.
В результате проведенных экспериментов, используя оборудование цифровой лаборатории, мы пришли к следующим выводам:
1.  Наибольшие положительные значения индукции магнитного поля получены при сборе показаний счетчика около южных полюсов. Наибольшие отрицательные значения индукции магнитного поля получены при сборе показаний счетчика около северных полюсов.
2.  Значение магнитной индукции с расстоянием убывает.
3.  Магнитное поле существует вокруг проводника с током.
4.  Магнитное поле существует и создается вокруг любых электрических приборов.
5.  Измерив индукцию магнитного поля различных образцов горных пород, результаты показали, что наибольшими магнитными свойствами обладают: магнитный железняк – В= 0,2702 мТл ; сталь малоуглеродистая (железо) – В=0,05761 мТл; магнетит – В=0,05431мТл.
6.  Электромагнитное поле оказывает влияние на рост семян.
7.  Вокруг человека существует магнитное поле.
8.  Число витков увеличивает магнитное поле, а следовательно будет и увеличиваться масса груза, которую поднимает электромагнит.
Заключение
Самое интересное, что нас окружает множество «магнитов». В наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в банках с гвоздями и т. д. Сами мы - тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, гигантский голубой магнит. Солнце, жёлтый плазменный шар, - магнит ещё более грандиозный. Галактики и туманности, едва различимые телескопами, непостижимые по размерам магниты.
Цель работы: используя, цифровое оборудование, исследовать магнитное поле.
Магнитное поле существует и индукцию магнитного поля можно измерить, имея специальное оборудование.
При выполнении своей работы мы изучили различные источники информации, из которых, узнали много нового о магнитном поле.
В результате проведенных экспериментов, используя оборудование цифровой лаборатории, мы пришли к следующим выводам:
1.  Наибольшие положительные значения индукции магнитного поля получены при сборе показаний счетчика около южных полюсов. Наибольшие отрицательные значения индукции магнитного поля получены при сборе показаний счетчика около северных полюсов.
2.  Значение магнитной индукции с расстоянием убывает.
3.  Магнитное поле существует вокруг проводника с током.
4.  Магнитное поле существует и создается вокруг любых электрических приборов.
5.  Измерив индукцию магнитного поля различных образцов горных пород, результаты показали, что наибольшими магнитными свойствами обладают: магнитный железняк – В= 0,2702 мТл ; сталь малоуглеродистая (железо) – В=0,05761 мТл; магнетит – В=0,05431мТл.
6.  Электромагнитное поле оказывает влияние на рост семян.
7.  Вокруг человека существует магнитное поле.
8.  Число витков увеличивает магнитное поле, а следовательно будет и увеличиваться масса груза, которую поднимает электромагнит.
Литература:
1. Пурышева Н. С., Важеевская Н. Е. Физика. 9 кл.-М.: Дрофа, 2008.
2. Ландсберг Г. С. Электричество и магнетизм. II Том – М: изд «Наука», 1971.
3. Левитан Е. П. Астрономия.11 кл.- М.: Просвещение,2002.
4. http://class-fizika. *****/8_m4.htm
5. Гильберт У. О магните, магнитных телах и большом магните Земля. – М.: 6. Изд-во АН СССР: 1956. – 256 с.
7. ПКГ «Развитие образовательных систем». Физика с VERNIER..- М.: 2012.
8. ПКГ «Развитие образовательных систем». Естествознание с VERNIER..- М.: 2012.